Применение методов автоматизации в среде географических информационных систем при оценке характера пространственного распределения населения в трансграничных регионах
ВВЕДЕНИЕ 3
1. Используемые данные и методика 5
1.1. Краткий обзор сервисов маршрутизации в транспортных сетях 8
1.2. Немного о контейнерах и Docker 10
1.3. Картографическая визуализация 11
2. Решение подзадач 13
2.1. Получение матрицы расстояний с использованием механизма маршрутизации
OSRM (FOSSGIS) 13
2.2. Получение базы геоданных OSM и извлечение интересующей области 16
2.3. Получение матрицы расстояний с использованием механизма маршрутизации
Valhalla (Local) 18
2.4. Получение матрицы расстояний с использованием механизма маршрутизации
OSRM (Local) 24
2.5. Вычисление потенциала поля расселения и создание растра вычисленных
значений 32
2.6. Создание веб-сайта для картографической визуализации потенциала поля
расселения 36
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 42
ЛИТЕРАТУРА 44
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Программный код веб-сайта с картографической визуализацией потенциала поля расселения 46
А1. Содержимое файла index.html 46
А2. Содержимое файла style.css 46
А3. Содержимое файла main.js 48
А4. Содержимое файла package.json 51
А5. Содержимое файла vite.config.js 51
Плотность населения является одним из важнейших факторов устойчивого развития заселенных территорий, так как она во многом связана с рисками негативных воздействий как на собственно население, так и на окружающую среду. Существует множество подходов к прямой оценке (описанию, моделированию) плотности населения, при этом классическим является применение гравитационной модели (Sen, Smith, 1995) к населенным пунктам. Гравитационная модель описывает взаимодействие между пространственными объектами (населенными пунктами в данном случае). Она предполагает интерполяцию географической переменной, называемой потенциалом поля расселения (settlement field potential) - ПНР (SFP). При этом ГИС применяются в качестве инструмента картографирования ПНР. Сам термин ПНР и формула, по которой он вычисляется, варьируются от автора к автору (Dong и др., 2022; Создаев, Тесленок, 2019). В первом приближении ПНР оценивает степень взаимного воздействия объектов (населенных пунктов) друг на друга по численности их населения и прямолинейному расстоянию между ними.
Учитывая, что речь идёт о географическом пространстве, можно сделать вывод, что расстояние по прямой не имеет единой интерпретации. Особенно в обширных регионах, где его оценка будет меняться в зависимости от проекции карты. Более того, связи населения, транспорта или экономические связи между населенными пунктами осуществляются не по прямой, а по дорожной сети. В таком случае близко расположенные объекты могут оказаться разделены географическим барьером любого характера, а расстояние по дорожной сети может быть ощутимо больше прямолинейного. В связи с этим целью данной работы является разработка методических и алгоритмических средств для моделирования и картографической визуализации потенциала поля расселения с учётом реальных транспортных связей.
Задачи работы:
• Подбор средства массовой автоматической маршрутизации
• Разработка алгоритма подготовки к использованию и использования средства массовой автоматической маршрутизации
• Разработка алгоритма получения значений потенциала поля расселения
• Разработка средства картографической визуализации потенциала поля расселения
Актуальность данной работы заключается в том, что такая модифицированная гравитационная модель особенно востребована при исследовании трансграничных регионов (Головина и др., 2015), где миграция через государственную границу возможна только через пропускные пункты (рис. 1). Работ с ранее реализованной подобной модификацией выявлено не было.
Выполнена алгоритмизация для модифицированной гравитационной модели потенциала поля расселения, сформулирована общая методика отбора и обработки данных при выполнении вычислений с использованием модифицированной гравитационной модели потенциала поля расселения.
В частности, приведены способы решения задачи построения матрицы расстояний по дорожной сети с помощью открытых механизмов массовой автоматической маршрутизации, а именно: локальные механизмы маршрутизации Valhalla и OSRM с использованием Docker и веб-сервис OSRM от FOSSGIS, наглядно показаны концептуальные и технические различия их использования. На Python произведен расчет потенциала поля расселения и экспорт результатов в виде растров. Создан веб-сайт для картографической визуализации полученных растров.
Общая методика работы:
1. Получение данных о населенных пунктах с их численностями в разные годы, определение географического охвата
2. Построение матрицы расстояний по дорожной сети
— Получение копии базы геоданных OSM
— Извлечение интересующей области из полученных данных
- Построение дорожного графа для механизма маршрутизации
— Подбор проекции (системы координат) для регулярной сетки
- Создание регулярной сетки
— Перепроецирование сетки для механизма маршрутизации
— Построение матрицы расстояний механизмом маршрутизации
3. Применение фильтров к матрице расстояний, расчет ПНР
— Внесение поправок в расстояния в виде домеров на концах маршрутов
— Фильтрация и преобразование матрицы расстояний
— Расчёт ППР
— Экспорт значений ПНР на разные годы в виде многоканального растра на основе регулярной сетки
4. Картографическая визуализация ПНР на веб-сайте
— Настройка проекта QGIS для отображения растров ПНР
— Развёртывание контейнеров Docker-Compose с QGIS Server и Nginx
— Конфигурирование Nginx
— Разработка интерактивной веб-карты с использованием OpenLayers
— Настройка собственного хостинга веб-сайта
Созданные алгоритмы:
- Предобработка данных о населенных пунктах на языке Python и с использованием QGIS
- Построение матрицы расстояний с использованием механизма маршрутизации OSRM (FOSSGIS) на языке Python
- Развертывание механизма маршрутизации Valhalla (Local) с использованием Docker
- Построение матрицы расстояний с использованием механизма маршрутизации Valhalla (Local) на языке Python
- Развертывание механизма маршрутизации OSRM (Local) с использованием Docker
- Построение матрицы расстояний с использованием механизма маршрутизации OSRM (Local) на языке Python
- Вычисление потенциала поля расселения на языке Python
- Экспорт результата расчётов потенциала поля расселения на языке Python
- Создание картографической визуализации потенциала поля расселения в QGIS
- Создание веб-сайта с интерактивной картой потенциала поля расселения
- Развертывание инфраструктуры веб-сайта с использованием Docker- Compose
- Организация собственного хостинга веб-сайта
